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Transcrição

1 ,1),/75$d 2'($5$75$96'(3257$6'($&(662$&Ç0$5$6)5,*25Ì),&$6 9HULILFDomR([SHULPHQWDOGH3UHYLV}HV$QDOtWLFDVHDWUDYpVGH&)' -2 2*21d$/9(6-26&267$ $17Ï1,2),*8(,5('2 $17Ï1,2/23(6 &, '(76(VFROD6XSHULRU$JUULDGR,QVWLWXWR3ROLWpFQLFRGH9LVHX $'$,'HSDUWDPHQWRGH(QJHQKDULD0HFkQLFD8QLYHUVLGDGHGH&RLPEUD Rsumo Nst trabalho aprsnta-s a mdção xprmntal da taxa d nfltração d ar num spaço arrfcdo (câmara frgorífca à scala laboratoral), através da utlzação da técnca d gass traçadors. Os rsultados obtdos foram confrontados com as prvsõs dadas por três modlos analítcos também com os obtdos por smulação numérca CFD. Como consquênca da nfltração d ar qunt para o ntror da câmara frgorfca, a tmpratura méda no su ntror va aumntando dmnuído o dfrncal d tmpratura, plo qu s trata claramnt d um procsso transnt. Uma vz qu os modlos analítcos têm subjacnt a condção d rgm prmannt, confrma-s qu sts não são adquados para avalar a taxa d nfltração. Por outro lado, os rsultados obtdos por va numérca aprsntam uma boa concordânca com os rsultados xprmntas, mostrando qu o modlo é aproprado para avalar a nfltração d ar na câmara frgorífca. 1. Introdução Smpr qu s abr a porta d acsso d uma câmara frgorífca, sja m opraçõs d rotna ou m opraçõs d carga dscarga, como consquênca da dfrnça d tmpratura é nvtávl a troca d ar ntr o ntror o xtror. Isto mplca obvamnt um aumnto da carga d rfrgração. Esta nfltração causa város problmas, dos quas: prda d qualdad dos produtos dvdo a flutuaçõs d tmpratura; aumnto dos custos d funconamnto do sstma d fro, uma vz qu trá d funconar durant mas tmpo; problmas d sgurança, dvdo ao glo qu s forma nas ntradas. Os studos qu stablcm a tora da convcção natural através d abrturas, provocada plas forças d mpulsão dvdo à dfrnt dnsdad d fludos a dfrnts tmpraturas, foram ralzados há mas d 70 anos. Dsd aí, város nvstgadors têm contrbuído com o dsnvolvmntos d novos modlos, sndo qu todos ls s basam na tora d um scoamnto dal não tndo m conta a vscosdad ftos térmcos, rsultando gralmnt numa prvsão da nfltração supror ao ral. Dos város modlos analítcos dsponívs na ltratura para o cálculo da nfltração, srão aqu analsados três dls qu s dscrvm d sguda: () Modlo d Frtzsch & Llnblum [1] O modlo assum caudal volumétrco d ar gual qu ntra sa d um compartmnto. Os autors ntroduzram um factor d corrcção qu tm m conta a contracção do scoamnto dvdo à abrtura. A nfltração nf [m 3 /s] é calculada através d:

2 1.5 = Inf K Agh ( ) ( ) FL, (1) Sndo o factor d corrcção dado por: KFL, ( T = + T) Ond, h A rprsntam a altura a ára da porta, rspctvamnt, g a aclração da gravdad, T rfrm-s à tmpratura massa volúmca do ar ntror, T as rspctvas proprdads do ar xtror. () Modlo d Gosny & Olama [2] No caso d um dos compartmntos sr arrfcdo, o caudal volumétrco qu ntra srá dfrnt do qu abandona ss msmo compartmnto. Contudo, a massa d ar no spaço arrfcdo prmancrá constant, uma vz qu, qur o volum, qur a dnsdad do ar no spaço ntror, prmancm constants. Gosny & Olama propusram uma quação qu consdra a consrvação do caudal mássco: 1.5 Inf 0.5 ( ) 2 = Agh ( ) (2) () Modlo d Pham & Olvr [3] Pham Olvr conduzram um studo do fluxo d ar através d abrturas d spaços arrfcdos, tndo proposto a sgunt xprssão para o cálculo da nfltração, a fm d concordar com os rsultados obtdos: V RP 0.5 ( ) 2 = Agh ( ) (3) A aplcabldad dos modlos analítcos acabados d dscrvr aprsnta algumas lmtaçõs, nomadamnt: não tm m conta a rlação ntr a dmnsão da porta da altura comprmnto do spaço; não tm m conta os ftos trdmnsonas do scoamnto, uma vz qu admtm qu o scoamnto s dá apnas sgundo a drcção prpndcular à porta; não tm m conta ftos d vscosdad admtm condçõs d scoamnto m rgm prmannt. Em câmaras frgorífcas pqunas, como o volum d ar é rduzdo as mudanças d ar são mas frqunts, o fnómno é claramnt transnt. Contraramnt, m câmaras grands o fnómno pod sr consdrado aproxmadamnt m rgm prmannt, nomadamnt quando a porta é mantda abrta durant ntrvalos d tmpo rduzdos. A modlação CFD pod prvr as varaçõs d tmpratura, m função do tmpo, dntro do spaço arrfcdo na sua vznhança crcundant.

3 O objctvo dst trabalho consst na mdção xprmntal da taxa d nfltração d ar admtda para o ntror d uma câmara frgorífca spcífca (à scala laboratoral) comparação com as prvsõs obtdas pla aplcação d modlos analítcos, anda, através d smulação numérca, utlzando a Mcânca d Fludos Computaconal (CFD). 2. Instalação Exprmntal Nsta nstalação foram ralzados alguns nsaos para a caractrzação do campo d scoamnto nas mdaçõs da porta d acsso a uma câmara frgorífca. Foram também mddos os campos d tmpratura avaladas as trocas gasosas ntr sts dos spaços Gomtra A nstalação xprmntal (à scala laboratoral) consst m duas salas, aproxmadamnt com as msmas dmnsõs m 3 cada uma, lgadas ntr s por uma porta com 0.6 m d largura 1 m d altura (cf. fgura 1), cntrada sgundo a largura das salas. Prtnd-s qu uma das salas rprsnt a câmara frgorífca, qu a outra rprsnt o xtror cujas proprdads s prtnd controlar (sta, por razõs construtvas, snsvlmnt mas pquna). As duas salas foram construídas numa bas d madra rvstdas ntrnamnt com placas d um matral solant (polstrno). As pards da sala qu smulam a câmara frgorífca (sala fra), têm uma spssura d 7cm 6cm d solant + 1cm contraplacado marítmo no xtror; a outra, qu s spra star a tmpraturas mas próxmas do xtror, fo construída apnas com placas d matral solant com 6cm d spssura. A porta d lgação ntr as salas, com abrtura d dslocamnto vrtcal (tpo gulhotna), fo construída m madra forrada com matral solant 1cm madra + 3cm d solant. Embora sja dfícl assgurar a stanqucdad prtndda, qur rlatvamnt ao xtror, qur rlatvamnt às própras salas, todas as fssuras (plo mnos as vsívs), foram obstruídas com polurtano xpanddo. O chão fo solado com 6cm d matral solant cobrto com uma folha d madra rctfcada (chão flutuant). A clmatzação da sala arrfcda fo fta com rcurso a um sstma d rfrgração (com o vaporador localzado no cntro do tcto da sala), a sala qunt aqucda com um trmo-convctor léctrco. Extror Câmara Frgorífca 3 m Câmara frgorífca 3 m Extror 1 m y x 0,6 m 3 m z 3 m (a) Fgura.1. (a) Instalação xprmntal com dos compartmntos; (b) Esquma da nstalação com ndcação das dmnsõs rlvants. (b)

4 2.2. Mdção da vlocdad tmpratura A mdção da tmpratura na sala dta fra fo fta rcorrndo a 15 trmopars (tpo K), dstrbuídos d uma forma homogéna por todo o compartmnto. Para a mdção da tmpratura na sala qu rprsnta o xtror, utlzaram-s 14 sondas omndrcconas d mdção smultâna d vlocdad tmpratura. Estas sondas srvram também para mdr o prfl d vlocdads no plano da porta. Para a montorzação rgsto das proprdads físcas, rcorru-s a um sstma d aqusção d dados, consttuído por uma placa d xpansão EXP 32, duas placas d aqusção DAS 1600, um computador um programa d aqusção d dados Taxa d nfltração Para a dtrmnação da taxa d nfltração, fo utlzada a mtodologa dos gass traçadors. Esta técnca é largamnt utlzada para avalar as trocas d ar através d abrturas ntr dos compartmntos. Sgundo o método d dcamnto (aqu utlzado), no níco d cada nsao, uma pquna quantdad d gás (CO 2, nst caso) é lbrtado no compartmnto arrfcdo. Para garantr uma crta unformdad da concntração d gás, também da tmpratura, foram utlzados vntladors m ambos os spaços. Após srm stablcdas as condçõs d tmpratura prtnddas, os vntladors ram dslgados o sstma d aqusção colocado m modo d rgsto. Aproxmadamnt 30s dpos, a porta d lgação ra abrta a concntração méda d CO 2 na sala arrfcda mdda m contínuo. O qupamnto utlzado para a sua montorzação fo um analsador d CO 2 da marca SENSOTRON, modlo PS32. A taxa d nfltração na sala arrfcda pod sr dtrmnada através da sgunt xprssão: V C C xt Inf = ln t C C Em qu V (m 3 ) rprsnta o volum da sala arrfcda, C é a concntração d CO 2 ants da abrtura da porta, C f após a porta sr fchada, C xt rfr-s à concntração d CO 2 no xtror, t o tmpo m qu a porta é mantda abrta. 3. Modlo CFD Um modlo numérco trdmnsonal fo mplmntado utlzando um códgo comrcal ANSYS-CFX. O modlo trdmnsonal d studo é consttuído por dos compartmntos colocados a dfrnts tmpraturas lgados ntr s através d uma porta (cf. fgura 2). As dmnsõs do domíno concdm com as da gomtra xprmntal. Uma vz qu é vdnt a xstênca d um plano d smtra, assm, para poupar tmpo d cálculo, apnas fo smulado mtad do domíno. A mtodologa basou-s na smulação numérca transnt trdmnsonal d um scoamnto turbulnto d ar (consdrado gás dal), dsnvolvdo no domíno das duas salas, ncalmnt a tmpraturas dfrnts, sparadas por uma porta d lgação, qu subtamnt é abrta. As soluçõs a obtr basam-s na rsolução das quaçõs, scrtas m médas tmporas d Rynolds, da contnudad, momnto nrga. Para a modlação da turbulênca fo utlzado o modlo k-. O squma d advcção utlzado fo o squma d lvada rsolução. O squma transnt utlzado qu dfn o algortmo d dscrtzação dos trmos transnts fo o modlo d sgunda ordm d Eulr. No controlo da convrgênca fo consdrado um máxmo d 3 traçõs por passo d tmpo, um rsíduo máxmo d 1.0E -4. f xt

5 Y X Z Fgura 2. Esquma da grlha d cálculo rfnada na zona da porta. Como condçõs ncas, consdrou-s vlocdad zro mposta a todo o domíno tmpratura d 5ºC para o compartmnto arrfcdo 30ºC para o compartmnto aqucdo. A fm d contablzar as trocas d ar qu s dão ntr os dos compartmntos, utlzou-s uma mtodologa smlar à técnca d gass traçadors, utlzada nos nsaos xprmntas. Assm, fo crado um sgundo fluído fctíco com as msmas proprdads do ar, dsgnado gás traçador, com uma fracção mássca ncal unform d na sala arrfcda d zro no ambnt xtror. Todas as pards foram consdradas adabátcas mposta a condção d não adrênca. Fo também assumdo qu: o ntror do domíno d cálculo não tm massa térmca (sm fonts d calor ou sja produtos); a humdad não tm nfluênca na troca d calor; o ar é apnas trocado pla porta (câmara stanqu, xcpto a porta). Rlatvamnt à grlha d cálculo, fo utlzada uma grlha não struturada, uma vz qu s spra uma maor varação das grandzas nas mdaçõs da porta, a malha fo rfnada nstas zonas (cf. fgura 2). Fo fto um studo d ndpndênca da malha, uma vz qu s trata da smulação d um fnómno transtóro, fctuou-s também uma análs rlatvamnt ao passo d avanço no tmpo, tndo-s utlzado um passo d tmpo d 0.1s. 4. Aprsntação dscussão d rsultados Na fgura 3 aprsnta-s a taxa d nfltração m função do ntrvalo d tmpo m qu a porta é mantda abrta. Como s pod obsrvar, a taxa d nfltração obtda xprmntalmnt vara consdravlmnt ao longo do tmpo. As flutuaçõs qu s obsrvam no gráfco dvm-s, provavlmnt, qur à mtodologa d captação do CO 2 plo aparlho d analsador d gass, pos mbora s tnha tntado mnmzar st fto através da captação d CO 2 m ss postos dstntos, a concntração no domíno da sala arrfcda é bastant htrogéna, como s pod vrfcar pla fgura 4, qu mostra o campo d tmpraturas, qur ao ntrvalo mínmo d mdda do qupamnto qu é d 10s. Por outro lado, com o dcorrr do tmpo, va-s atnuando a dfrnça d tmpraturas ntr os dos spaços, dmnundo também a taxa d nfltração. Obsrva-s também qu o modlo numérco consgu prvr, com bastant prcsão, qualtatvamnt quanttatvamnt, a taxa d nfltração ao longo do tmpo. Uma vz qu os modlos analítcos admtm condçõs d rgm prmannt, a taxa d nfltração mantém-s constant ndpndnt do tmpo após a abrtura da porta. Como s pod obsrvar, todos os modlos analítcos tndm a sobravalar a taxa d nfltração rlatvamnt ao vrfcado xprmntalmnt. Contudo, os modlos d Frtzsch & Llnblum Gosny & Olama são os qu mlhor prvêm a nfltração máxma obtda xprmntalmnt, sndo capazs d dar uma boa stmatva para curtos príodos d tmpo d porta abrta.

6 Exprmntal Infltração [m 3 /s] T [ºC] Numérco Frtzsch & Llnblum Gosny & Olama Pham & Olvr Tmd - EXP Tmd - NUM Tmpo d porta abrta [s] Fgura 3. Evolução da nfltração d ar pla porta d acsso à câmara frgorfca volução da tmpratura méda ntror por va xprmntal numérca. Uma vz ncada a nfltração d ar pla porta dvdo à dfrnça d dnsdads do ar ntror xtror sta aumnta rapdamnt, atngndo o su máxmo aproxmadamnt 20s após a abrtura da porta. Com o dcorrr do tmpo, com a dmnução da dfrnça d tmpraturas, dcrsc também a taxa d nfltração. Na fgura 3 mostra-s anda a volução tmporal da tmpratura méda do spaço arrfcdo. Como d pod obsrvar, a tmpratura no ntror aumnta rapdamnt ao longo do tmpo. A dscrpânca da volução da tmpratura obtda por va numérca xprmntal pod dvr-s ao facto d no modlo numérco todas as pards srm consdradas adabátcas nquanto qu xprmntalmnt alguma nrga é admtda para o spaço ntror plas pards qu não são compltamnt solants. O acabado d rfrr pod também sr confrmado através da fgura 4, qu mostra o campo d tmpratura vlocdad para os nstants d tmpo d 30s 120s após a abrtura da porta. Como sra d sprar, uma vz abrta a porta d lgação, o ar fro ntror tnd a sar pla part nfror da porta, ao msmo tmpo qu o ar qunt ntra no spaço arrfcdo pla part supror. Para sr garantda a consrvação d massa no domíno das duas salas, uma vz qu a dnsdad do ar ntror é supror à do ar xtror, consquênca das suas tmpraturas, sra d sprar qu o ponto nutro (ponto d nvrsão do scoamnto) s localzass abaxo do ponto médo da altura da porta. Na vrdad, vrfca-s xactamnt o contráro, sto é, numa fas ncal o ponto nutro stua-s lgramnt acma da ma altura da porta. Vrfca-s também qu a magntud da vlocdad é maor na part supror da porta. Com o dcorrr do tmpo, o scoamnto prd vgor o ponto médo tnd para a ma altura da porta. Est facto pod sr confrmado pla obsrvação da fgura 4, m qu a sfra branca rprsnta a ma altura da porta, também pla fgura 5.

7 (a) (b) (c) (d) Fgura 4. Campos d tmpratura (a,c) vlocdad (b,d), para nstants t=30s (a,b) t=120s (c,d) após a abrtura da porta obtdos por va numérca, para um plano médo sgundo a largura das salas. Na fgura 5 mostram-s os prfs vrtcas d vlocdad, a partr da solra da porta, obtdos xprmntalmnt com as 14 sondas trmo-anmométrcas colocadas no plano da porta, também os valors obtdos por va numérca. Como s pod obsrvar, vrfca-s uma boa concordânca dos rsultados obtdos por ambas as vas. Est facto srv também para valdar o modlo d cálculo. t=30s-exp t=30s-num 1.00 t=60s-exp t=120s-exp t=60s-num t=120s-num 0.75 t=180s-exp t=180s-num Y [m] V [m/s] Fgura 5. Prfs vrtcas d vlocdad no plano da porta, obtdos por va xprmntal numérca, para dfrnts nstants d tmpo após a abrtura da porta.

8 5. Conclusõs Nst trabalho aprsntou-s a mdção xprmntal da taxa d nfltração d ar admtda para o ntror d uma câmara frgorífca à scala laboratoral os rsultados confrontados, qur com as prvsõs obtdas através d modlos analítcos, qur, anda, com os obtdos por smulação numérca. Constatou-s qu a nfltração d ar volu ao longo do tmpo m qu a porta é mantda abrta, plo qu os modlos analítcos qu admtm condçõs d rgm prmannt não são adquados para a dtrmnação da taxa d nfltração. Contudo, os modlos d Frtzsch & Llnblum Gosny & Olama, dão uma boa stmatva para curtos príodos d tmpo d porta abrta. Vrfcou-s qu os rsultados da smulação numérca concordam com os obtdos por va xprmntal, plo qu s pod conclur qu o modlo numérco consgu prvr a nfltração d ar m câmaras frgorífcas, sndo capaz d prvr também o campo d vlocdads d tmpratura, qur no ntror, qur na vznhança xtror. Além dsso, a modlação numérca pod prvr a nfltração, msmo no caso das portas starm protgdas por dspostvos d vdação arodnâmca, como é o caso d cortnas d ar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FRITZSCHE C, Llnblum W. Nu mssngun zur bstmmung dr kaltrlust an kuhlraumturn. Kalttchnk- Klmatsrung 1968;20: [2] GOSNEY WB, Olama HAL. Hat and nthalpy gans through cold room doorways. Proc Inst of Rfrg 1975;72: [3] PHAM QT, Olvr DW. Infltraton of ar nto cold stors. Proc 16th Int Cons Rfrg 1983;4:67 72.